Ladies and Gentlemen, we will soon be entering the Gotthard Base
Tunnel.
With a length of 57 km, this is the longest railway tunnel in the
world.
So die Begrüßung bei der Einfahrt in den Gotthard Basistunnel in der
Schweiz.
Die Bauzeit des Tunnels betrug 17 Jahre und er wurde zum 1.
Juni 2016 feierlich eröffnet.
Er durchquert dabei den westlichen Alpenhauptkamm und wird an seiner
tiefsten Stelle von 2450 m Gestein überdeckt.
Eine solche Tunnelbohrung ist anspruchsvoll und birgt einige Risiken.
So zum Beispiel in der sogenannten Piora-Mulde im Gotthard
Basistunnel, hier in gelb dargestellt.
Diese Gesteinsformation befindet sich am südlichen Rand des
Gotthardmassivs.
Sie besteht aus Kalkgesteinen, genauer einem Dolomit, der hier körnig
wie Zucker auftritt.
Wird solch ein lockerer Gestein angebohrt, kann dies abbrechen.
Zusätzlich hatten Probebohrungen oberhalb des geplanten Tunnelniveaus
ergeben, dass die Piora-Mulde unter sehr hohem Wasserdruck steht.
Stößt der Bohrer unvorbereitet auf so einen Bereich, kommt es zu einem
Wassereinbruch.
Um derartige Gefahren zu vermeiden, muss die Vortriebsgeschwindigkeit
des Bohrkopfes an die Eigenschaften des Gesteins angepasst werden.
Und dazu muss man die Gesteinzusammensetzung und Festigkeit kennen,
die unter anderem auch mit geophysikalischen Methoden untersucht wird.
Hallo und herzlich willkommen.
Ein Bauprojekt wie der Gotthard-Basistunnel bedurfte langfristiger
Planung und Vorerkundung der Tunnelbohrung.
Eine besondere Form der geophysikalischen Erkundung ist die
Tunnelseismik, die dazu dient, während der Bohrung die Eigenschaften
des Gesteins vor dem Bohrkopf zu analysieren.
In diesem Video werde ich Ihnen Methoden zur seismischen
Vorauserkundung während der Bohrung eines Tunnels vorstellen.
Sie werden sehen, welche Quellen und Empfänger dort verwendet werden
können und welche seismischen Wellen sich eignen, um das Gestein vor
dem Bohrkopf zu analysieren.
Zusammen mit geologischen Vorerkundungen und direkten Testbohrungen in
die Bohrfront leistet die Tunnelseismik einen Beitrag zur Sicherheit
des Bohrvortriebs.
Die Verwendung von Tunnelbohrmaschinen ist heutzutage die sicherste
und schnellste Art, einen Tunnel zu bauen.
Diese Maschinen sind sehr groß und besitzen den Durchmesser der
gesamten Tunnelröhre.
Hier sehen Sie den Bohrer des Gotthard-Basistunnels.
Die Bohrmaschinen bestehen im Allgemeinen aus zwei großen Teilen, dem
erweiterten Bohrkopf und dem Backabzug.
Zusammen mit dem Bohrkopf bilden die Abbaukammer und der
Antriebsstrang den ersten Abschnitt.
Er gräbt sich in den Fels, entfernt den Gesteinsschutt und
stabilisiert die Tunnelfläche.
Der Backabzug ist der zweite Abschnitt und befindet sich innerhalb des
fertigen Teils des Tunnels.
Er beinhaltet Pumpen, Generatoren, Kontrollräume und Vorrichtungen zur
Schmutzentfernung oder Tunnelauskleidung.
Tunnelbohrungen sind teure Vorhaben, deren Preis nicht zuletzt von der
Strecke bestimmt wird, die pro Tag erbohrt werden kann.
Je schneller, desto günstiger.
Daher ist bei seismischen Vorausserkundungen immer von Bedeutung, wie
aufwendig die Installation der Messung ist und ob oder wie lange die
Bohrung dafür stillstehen muss.
Seismische Vorausserkundungen sind neben Sicherheitsgründen wichtig,
um die Bohrgeschwindigkeit an die Gesteinseigenschaften anzupassen.
Die Vorausserkundungen können dabei Störungszonen auffinden und
Veränderungen der P- und S-Wellengeschwindigkeiten im Gestein
feststellen.
Diese können ein Kennzeichen für Störungszonen, Wassergehalt und
Änderungen der Gesteinszusammensetzung vor dem Bohrkopf sein.
Vier Verfahrensklassen stelle ich Ihnen jetzt beispielhaft vor.
Sie geben einen Überblick auf die vielen Varianten der Tunnelseismik.
Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal ist dabei, wo seismische Quellen
und Empfänger im räumlich engen Bohrbetrieb platziert werden.
Eine Möglichkeit ist das Sonic Soft Ground Probing.
Dazu werden die Quelle und der Empfänger im Bohrkopf untergebracht.
Seismische Wellen werden dann direkt nach vorn ins Gestein ausgesendet
und an Reflektoren zurückgeworfen.
Der Nachteil ist allerdings, dass eine Wartung der Technik während des
Vortriebs nicht möglich ist.
Eine zweite Klasse von Verfahren, Tunnel Seismic Wild Drilling, nutzt
den laufenden Bohrkopf selbst als kontinuierliche Schallquelle.
Das hat offensichtlich den Vorteil, dass das Quellsignal nicht vom
Bohrlochsignal getrennt werden muss.
Die Empfänger werden weiter hinten auf Höhe des Backup-Zuges in
kleinen Bohrlöchern einige Meter in der Tunnelwand platziert.
In der Auswertung werden Änderungen des Signals mithilfe von
Kreuzkorrelationen analysiert.
In der dritten Variante, Horizontal Seismic Profiling, werden Quellen
und Empfänger hinter dem Bohrkopf in kleinen Bohrlöchern installiert.
Als Quellen dienen kleine Explosionen, die gezielt eingesetzt werden
können.
Die Wellen breiten sich dann radial vom Tunnel aus, sodass
hauptsächlich Strukturen an den Tunnelseiten abgebildet werden können.
Sind diese leicht gegenüber der Tunnelrichtung geneigt, können sie auf
den noch nicht durchbohrten Bereich extrapoliert werden.
All diese Messansätze konzentrieren sich auf die Registrierung von
Raumwellen.
Die Auswertung der Reflexionen folgt dann meist einer seismischen
Standardmigration.
Oberflächenwellen werden vernachlässigt.
Diese enthalten jedoch wichtige Informationen und haben den Vorteil,
dass sie entlang der Tunnelwand laufen.
Wenn sie also auf Höhe des Beckabzuges abgestrahlt werden, können
damit auch Strukturen vor dem Bohrkopf abgebildet werden.
Diese Abbildung zeigt, wie die sogenannten Tunneloberflächenwellen
genutzt werden.
Die Quelle und die Empfänger befinden sich dabei im Beckabzug.
Als Quelle wird typischerweise ein pneumatischer Hammer verwendet, der
direkt an der Tunnelwand anschlagen kann.
Die Geophone messen dann die seismischen Wellen in den
Freiraumrichtungen, um die Tunneloberflächenwellen vollständig
aufzuzeichnen.
Nach der Anregung breiten sich die Wellen entlang der Tunnelwand aus
und werden mit T bezeichnet.
An der Bohrfront endet die Fläche und die Tunneloberflächenwellen
werden in S-Wellen konvertiert.
Treffen sie dabei auf einen Reflektor, werden sie zurückgeworfen,
wieder in Oberflächenwellen umgewandelt und von den Empfängern an der
Tunnelwand aufgezeichnet.
Aufgrund dieses Verlaufs werden sie auch T-SST-Wellen genannt.
Gerade weil die Oberflächenwellen an die Tunnelwand gebunden sind,
verlieren sie dort wesentlich weniger Energie als die in alle
Richtungen abgestrahlten Raumwellen.
Das ist ein großer Vorteil gegenüber Tunnelvorauserkundungen mit
Raumwellen.
Solche Tunneloberflächenwellen wurden neben vielen anderen
Untersuchungsmethoden auch verwendet, um Vorauserkundungen während des
Vortriebs im Gotthard-Basistunnel durchzuführen.
Eine besonders kritische Stelle war dabei die eingangs erwähnte Piora
-Mulde.
Erkundungsbohrungen legten nahe, dass diese eigentlich sehr weiche
Zone einige hundert Meter oberhalb der geplanten Tunnelröhre aus
verfestigtem Gestein besteht.
Hier sehen Sie eine seismische Sektion einer Common Receiver
-Anordnung.
Sie wurde kurz vor dem Anbohren der Piora-Mulde aufgezeichnet.
Die direkten Tunneloberflächenwellen kommen dabei zuerst an und
dominieren die Wellenformen.
Wenn man sie mithilfe eines Filters ausblendet, werden die später
eintreffenden Wellen deutlicher.
Zuerst die Oberflächenwellen, welche an der Tunnelfront selber
reflektiert wurden.
Danach die Reflektion der konvertierten S-Wellen an der Piora
-Störungszone.
Eine Auswertung der Daten zeigt den Reflektor an einer Entfernung von
etwa 50 Metern und einer S-Wellengeschwindigkeit der vorgelagerten
Gesteine von etwa 3000 Meter pro Sekunde, die über den Offset der
Messungen stabil sind.
So konnte vorausschauend und mit reduzierter Geschwindigkeit die Piora
-Störungszone angebohrt werden, die wie erwartet in diesem Bereich
ausreichend festes Gestein aufwies.
In diesem Video habe ich Ihnen die Methoden der Tunnelvorausserkundung
mithilfe seismischer Wellen vorgestellt.
Sie haben gelernt, dass es wichtig ist, für die Sicherheit und Planung
der Bohrung zu wissen, welche Gesteinseigenschaften vor dem Bohrkorb
vorliegen.
Geophone für den Einsatz im Tunnel werden typischerweise an der
Tunnelwand oder in kleinen Bohrlöchern installiert.
Es gibt verschiedene Verfahren, die zur Vorausserkundung Raumwellen
nutzen.
Zum einen können kleine Sprengladungen im hinteren Teil der
Tunnelbohrmaschine, dem Backupzug, genutzt werden.
Diese Signale sind zeitlich eindeutig zu identifizieren.
Allerdings sorgt der relativ große Abstand zur Tunnelfront für
verhältnismäßig schwache Signale.
Nutzt man hingegen die Schallabstrahlung des Bohrkopfes selber, ist
das Signal zwar stark, aber kontinuierlich.
Reflektionen könnten unter den direkten Wellen verborgen sein.
Eine Alternative bieten Tunneloberflächenwellen, die an der Tunnelwand
des Backupzugs erzeugt werden und zunächst an ihr entlanglaufen.
An der Tunnelfront koppeln sie als S-Wellen ins Gestein ein und werden
an etwaigen Störungszonen reflektiert.
Auf dem gleichen Weg laufen sie wieder zum Empfänger zurück.
Diese Methode verbindet somit zwei Vorteile.
Deutlich und direkte Einsätze bei gleichzeitigem Bohrbetrieb.